トランジスタを使ったLED発振回路の動作についての疑問

Question

お世話になります。
添付画像のようなトランジスタを使ったLED発振回路で、2点ほど疑問があります。
まず、トランジスタがONした時LEDに電流が流れますが増幅された結構大きい電流が流れるのではないかと思いますがQ1トランジスタのエミッタからLEDに向かっている回路には保護抵抗が使われておりません。これはなぜでしょうか？短い時間だから？
もう一点は、コンデンサCのプラス側がLEDのアノード側につながっています。これの意味がよく分かりません。コンデンサのプラス側とLEDのアノード間は電流が流れるのでしょうか？
例えばこれを、コンデンサのプラス側からLEDのカソード（GND）へ接続するのとでは意味がどう変わりますか？
申し訳ございませんが、初心者なので難しい事は理解できないかもしれませんのでよろしくお願いいたします。ステップアップのための質問です。よろしくお願いいたします。

xpopo · Accepted Answer

回答NO.2です。補足コメントありがとうございます。

初めに間違った回答をしてしまいました。ごめんなさい。

実際の回路をシミュレーションしてみました（こちら：　http://yahoo.jp/box/rdFFTa）のでその結果を使って以下に説明します。

まず、回路条件ですがQ1のｈFEを283、Q2のｈFEを130.4、抵抗R1の値を500kΩとします。LEDは赤色だと思いますがフェアチャイルド製のQTLP690Cを使います。

シミュレーション結果は左側に波形で示されてます。
各波形は一番上からQ2のベース電圧V(b2)、LEDのアノードの電圧V(da)、コンデンサC1に流れる電流I(C1)（ﾎﾟｲﾝﾄDAからB2の方向を正とします。）、LEDの電流I(D1)、最後にLED　QTLP690Cに18mmA電流を流した時のVFV(f2)と順方向電圧降下V（ｆ２）となってます。

シミュレーションではスタートと同時に電源V1を0Vから3Vへ立ち上げてます。このトランジェントシミュレーション時間は3秒です。

まず、電源を立ち上げた瞬間は抵抗R1を経由してトランジスタQ2のベースへ電流が流れ込みます。この時はまだLEDには電流が流れていません。LEDは１V程度までは非常に大きな抵抗値を持ちますのでR1を流れる電流は殆どQ2のベースに流れ込みます。

Q2に流れる最初にベース電流Ib2iは

Ib2i＝（3V-0.7V）/500kΩ＝4.6uA　流れます。
1
このIb2iはトランジスタQ2とQ1で増幅されます。Q2のｈFE2とQ1のｈFE1を使って、Q1のコレクタ電流Ic1iは

Ic1i＝Ib2i×ｈFE2×ｈFE1　（１）

で計算できますからQ1のコレクタ電流Ic1iは

Ic1i＝4.6uA×130.4×283＝170ｍA

と計算されます。実際のシミュレーション結果では140mA程度とちょっと少ない。この電流が最初のLED電流となります。シミュレーション結果のI(D1)を見てみると140mA程度の電流が時間16.5msecまで続いてそこで急激に電流が無くなります。
　もうお気づきと思いますが、この電流の値はLED にとっては最大定格をはるかに超える電流です。一般的な赤色LEDの最大定格電流は20mA程度ですから、こんなに大きな電流を流せばLEDが壊れるか劣化してしまいます。
　またIc1iは抵抗R1とQ1、Q2のｈFEで決まってくる電流ですから例えばR1を100kΩにすればIc1iは5倍の850mAにもなってしまいます。またｈFEもバラツキますから、Q1のコレクタ電流の絶対最大定格を超えてしまう可能性も考えられます。
　ですから、対策としてQ1のコレクタとLEDのアノードの間に電流制限用の抵抗を入れなければまずいということになります。

この大きな電流が流れている期間はLEDのアノードがほぼ一定の電圧、この場合は電圧波形V(da)になりますが、約2.7Vの値になります。この一定電圧の間、LEDのアノードからQ2のベースへ向かってコンデンサC1を充電します。電源が投入された瞬間に一番大きな充電電流が流れますがその後エクスポーネンシャルで充電電流は時間とともに減少してゆき16.5msec経過後に充電電流は殆どゼロまで低下します。その結果、Q1のコレクタ電流もなくなってLED 電流は急激に低下します。その結果LEDのアノードの電圧は一定の電圧まで差がいます。この場合は2.7Vから約1.5Vまで約1.2Vほど下がります。この1.2Vはコンデンサに充電された電圧に相当します。
　その結果Q2のベース電圧は0.54Vから1.2V低い-0.66Vまで下がります。その結果Q2のベースは完全にカットオフ状態になります。
　その後コンデンサC1には抵抗R1を通して充電が開始されます。Q2のベース電圧V(b2)を見るとわかりますがV(b2)は時間とともに直線的に上がってゆきますそしてV(b2)が0.2V程度まで上昇するとQ2のベース電流が少し流れ始め、その電流がｈFE倍されてQ1のベース電流になりそれが更にｈFE倍されてLED電流の増加となります。結果としてLEDの電流の増加とともにLEDのアノード電圧も少々し始めます。LEDのアノード電圧が上がり始めればまたコンデンサC1への充電が始まりQ２のベース電流が増え始めます。その結果Q1のコレクタ電流もさらに増えてゆきLEDのアノード電圧も増えます。このような状況を正帰還状態と言いますが、正帰還状態によってLED電流は急激に増加することになります。
　そしてまたLED電流は140mA程度流れ同じく16.5msec後にコンデンサC1の充電が終了しLEDの電流はOFFされます。あとは先ほどの説明と同じ繰り返しになりLEDの点滅が繰り返されるわけです。

それでは補足にありました質問について以下に回答いたします。

１)
＞備考のこのままじゃ動作しないんですが、については色々な所で紹介されている回路であることもあり動かないというのもおかしいと思い、この回答を受けて実際にブレッドボード上で試してみたらやはりきれいに点滅しました。
＞NPNトランジスタを２つ使って2段増幅する回路の場合は電源とベース間に抵抗をいれているものも見つかりましたがPNPとNPNの組み合わせのこの場合は必要ないのでは？

回答＞＞ちょっと舌足らずで申し訳ありません。正確には起動しない場合がありますよ、ということです。上で動作を説明しましたが
　電源の立ち上げ時に抵抗R1経由でQ2のベースに電流を流します。そしてQ1のコレクタに大きな電流が正帰還効果で流れC1を経由してのQ2ベースへの充電電流が流れ始めますがこの充電電流が小さくなっても抵抗R1からの電流の値が大きいとLED電流、すなわちQ1のコレクタ電流、が下がり始め無くなってしまうのです。LED電流が下がらなければLEDのアノード電圧も下がらなくなりますのでQ2ぼベース電圧を急激に下げることができなくなります。その結果LEDは点滅ではなくて点灯しっぱなしになってしまいます。
　ブレッドボードで試されてるならR1ｎ値を小さくしてみれば、この現象は確認できると思います。

２）
＞で、実際にやってみた結果で、コンデンサのプラス側からLEDのカソード（GND）へ接続するとご指摘どおり点滅しなくなりました。これはコンデンサを外した場合と同じ動作でした。
＞もう一つ試してみたのですがコンデンサの極性を逆に紹介しているサイトもあるのでQ2のベース側をプラスにしてみると、こちらも問題なく見た目には同じように動作しました。何故でしょうか？
＞コンデンサの電位は下側がLEDのVFで1.7Vくらいだとして上側はトランジスタのベースで0.7Ｖとすると下の方が大きいので通常下側をプラスにするんですよね？この場合あまり関係ないんですかね？

回答＞＞電解コンデンサを極性を逆にしても動作をしたのはなぜか？ということですが、極性が逆になれば実効的なコンデンサの容量はかなり小さくなってしまいますが容量がなくなるわけではありません。ですから動作はするけれどコンデンサの容量は小さくなってしまう。更に長期間使用すればコンデンサへのダメージが生じます。ですから下側をプラスに接続するのが正しい接続ということになります。

３)
＞で、2つ目の疑問なんですけど最初はCへの充電は抵抗を流れてきた電流によって行われ、Cの電圧が上がってくるとベース電流が流れやがてトランジスタがONしてLEDへ電流が流れるので点灯し、電流はLEDにも流れるけどCの電位も低いのでそちら側にも流れると。そうなると、Q2のベースには常にQ1トランジスタのコレクタからCへ常に電流を供給するため、点滅する前にONしっぱなしになる気がするのですが、そこをどう理解すればよいですか？

回答＞＞最初は上で説明したようにC1向こう側はLEDのアノードにつながってます。最初の時点ではQ１はOFFしてますからコンデンサC1には直列にLEDがつながってることになります。またコンデンサC1の逆側はトランジスタQ2のベースです。トランジスタのベースはいくら上昇しても高々0.7V程度です。そうするとC1の充電には最大0.7V程度しか電圧が与えられないことになります。そうするとC1に直列につながっているLEDにも最大0.7Vていどしかかからないことになります。LEDの電流は０．７V程度ではｎAのオーダーで極端に小さな電流しか流せません。結果、コンデンサC１への充電は殆ど行われないのでコンデンサはこの状態ではLED側がopenになってるのと等価な状態です。ですから最初は抵抗R1からの電流は殆どQ2のベースへ供給されることになります。
　ですから、最初はいきなりQ2のベースへ抵抗R1を通ってきた電流が流れてそれが２つのトランジスタで増幅され、Q1の大きなコレクタ電流、即ちLED電流となるわけです。そして大きな電流が流れてLEDのアノード電圧が急激に立ち上がるのでその結果コンデンサC1へLEDのアノードからベースへ向かって大きな充電電流（最初の瞬間が一番大きくその後、対数的に減少してゆく）が流れ一定時間後の充電電流がゼロ近くまで下がりLEDの電流が急に下がってアノード電圧が急に下がりその下がった電圧の分だけQ2のベース電圧が下がるのでQ2がカットオフされるという流れになるわけです。

xpopo · Answer

回答NO.3に新しい質問が上がりましたので以下に回答いたします。

１）
＞説明に16.5msecというのが出てきますが、添付の波形からはmsecというのは読み取れないのですが、0.0S付近の波形の立ち上がりの様子を説明されているということでよろしいでしょうか？
＞あと最初の説明では、瞬間であれば問題ないといわれていましたがやはりこれだけ流れていると短時間といえども制限用の抵抗を入れたほうがよいということですか？

回答＞＞説明で16.5msecと言ってたのは実は26.5msecでした。すみません。この説明はそうです、0.0s付近の波形の立ち上がりの様子を説明しました。
　それからLEDに流れる電流ですが流れてる時間が数usec以下ならば何とかLEDは劣化しないですが、数十msecという時間は半導体にとってはDC条件と同じくらい厳しい条件と考えて差し支えありません。ですから何も制限抵抗を入れないとLEDは劣化ないしは破壊してしまいます。制限抵抗は入れた方がいいです。

２）
＞＞その結果Q2のベース電圧は0.54Vから1.2V低い-0.66Vまで下がります。その結果Q2のベースは完全にカットオフ状態になります。
＞＞　その後コンデンサC1には抵抗R1を通して充電が開始されます。

＞ここの説明ですが、波形を見ると、V(b2)のベース電圧が-0.66Ｖ付近まで下がった後、I(C1)コンデンサの電流は0mAになっているのでその間に抵抗R1を通して充電されているようには見えず、次にコンデンサに電流が流れているのは、1.3s付近のトランジスタが再びONした後エミッタ電流より充電されているように思えます。

回答＞＞説明に使ったシミュレーション結果の波形が細かいところではわからないような波形になってしまってましたのでこちら（http://yahoo.jp/box/AD6Ct5）にシミュレーション時間を50msecに短くして実行した波形を示します。
　V(b2)のベース電圧が-0.51V（前回の説明では-0.66Vと説明しましたが正確には-0.51Vでした。）まで下がった後はI(C1)コンデンサの電流は0mAではなくて-7uAに変化してます。電流の極性がマイナスの極性になってますので電流の方向は回路図に示したC1の矢印の電流の方向とは反対になってます。つまり抵抗R1から流れてくる方向になってます。これがR1から充電されてる電流になります。
　また1秒以上経過してから再びQ1がONした後のC1の電流は流れる方向がマイナスからプラスに転じてます。すなわち、LEDのアノードからQ2のベースへ向かう方向になってます。この状態ではこのC1の充電電流はQ1のコレクタから供給される電流になります。

３）
もう一つは波形を見る限り、ベース電圧が直線的に上がっている間コンデンサが充電なり放電なりしているわけではなく0mAのままであるのにどうして直線的な上昇になっているのでしょうか？V(b2)のベース電圧直線的に上昇している間は抵抗からの電流ですよね？（このトランジスタがOFFしている期間はコンデンサはOPENと同じ状態なんですよね？）
あと、R1の抵抗を小さくしてみるとおっしゃるとおり点灯になりました。

回答＞＞この充電は抵抗R1（500kΩ）を介してコンデンサC1(10uF)に充電される状況です。この充電時定数τは　τ＝R1×C1　で決まりますから、この式に値を入れて計算します。

τ＝500E3×10E-6＝5sec

と計算できます。この時定数の5秒に対してベース電圧の充電が終了する時点、約1.46秒は時定数に比べてかなり小さいのでほぼ直線に見えてるだけです。ちなみにこの区間を拡大してシミュレーションした結果（http://yahoo.jp/box/Ce6gNX）を見てください。V(b2）の波形に赤い細い直線を引いてあります。これを見るとV(b2)は時間の経過とともに緩やかに直線から離れて行ってるのが分かるかと思います。ですから、実際には直線ではなく通常のCRの充電カーブを描いてると考えて差し支えありません。
　また、シミュレーション波形のコンデンサC1の電流変化を見てください。I(C1)は-7uAから時間の経過とともに少しづつその絶対値が減少してるのが分かります。I(C1)が変化しなければV(b2)の充電波形も直線になりますがこのように充電電流が少しづつ減って来ますので時間とともに少しづつV(b2)は直線から離れてくるわけです。
　それから、この期間はQ1はOFFしてますが、コンデンサC1のLEDのアノード側は1.5Vになってます。この電圧はコンデンサにたまった電化によるものです。充電電流はそのままLEDに流れ込んでます。ちなみにLED電流はI(C1)と同じ電流が流れてます。シミュレーション結果ではI(D1)の極性がプラスになってますが、LEDの電流はシミュレーションではアノードからカソードの方向が基準でプラスです。ということで、充電電流I(C1)はそのままLEDを流れてGNDへ流れてるということが分かります。

xpopo · Answer

回答NO.３の質問３）への回答の最後に追加があります。

＞ですから、最初はいきなりQ2のベースへ抵抗R1を通ってきた電流が流れてそれが２つのトランジスタで増幅され、Q1の大きなコレクタ電流、即ちLED電流となるわけです。そして大きな電流が流れてLEDのアノード電圧が急激に立ち上がるのでその結果コンデンサC1へLEDのアノードからベースへ向かって大きな充電電流（最初の瞬間が一番大きくその後、対数的に減少してゆく）が流れ一定時間後の充電電流がゼロ近くまで下がりLEDの電流が急に下がってアノード電圧が急に下がりその下がった電圧の分だけQ2のベース電圧が下がるのでQ2がカットオフされるという流れになるわけです。

この文章の後に以下の文章を追加します。

C1への充電電流が十分小さくなってももともとの抵抗R1から流れてくる電流が大きいと結果的にQ1のコレクタ電流が下がらずにLEDの電流が下がらないということが起きます。そういう場合、LEDの電流が下がらないのでLEDのアノード電圧の急激な低下も起きないのでQ1のベース電圧の急激な低下も起きずQ2のカットオフも起きないことになってLEDは点灯しっぱなしになってしまします。

xpopo · Answer

回答NO.3の続きです。文字制限に掛かってしまったので追加しました。

４）
＞他の所の説明では、まず抵抗を流れた電流がＣを充電していってQ2をONし、それによってQ1もONしLEDが点灯、Q1がONすると抵抗の方には電流が流れなくなり、やがてQ2のベース電流が流れなくなりトランジスタはOFFし、また、抵抗に流れ出す、みたいな説明になっていました。この説明は理解しやすいのですが、コンデンサとLEDのアノード間部分の接続の働きが分からなかったのです。

回答＞＞これは上の３）で説明したように最初はCへの充電は起きませんということです。

xpopo · Answer

今日は。
　この回路はこのままじゃ実際動作しないんですが、とりあえず２つの質問について以下に説明します。
１．トランジスタがONした時LEDに電流が流れますが増幅された結構大きい電流が流れるのではないかと思いますがQ1トランジスタのエミッタからLEDに向かっている回路には保護抵抗が使われておりません。これはなぜでしょうか？短い時間だから？

回答＞＞もし、LEDのVF（順方向電圧降下）が小さい赤色LEDだったら、瞬間的ではありますが大きな電流が流れる可能性があります。LEDが白色LEDだったらVFは３V以上ありますからそんなに大きな電流は流れません。赤色LEDだったらVFは１．８V程度なので瞬間的に流れる電流はかなり大きな電流になります。でも流れる時間はせいぜい数十μsec程度なのでトランジスタにダメージは与えません。

２．コンデンサCのプラス側がLEDのアノード側につながっています。これの意味がよく分かりません。コンデンサのプラス側とLEDのアノード間は電流が流れるのでしょうか？
例えばこれを、コンデンサのプラス側からLEDのカソード（GND）へ接続するのとでは意味がどう変わりますか？

回答＞＞Q1が「ON」してLEDに電流が流れ始めると同時にLEDのVFが例えば白色LEDならば約３．２Vに瞬間的に上昇します。
　この時Q２のベース電圧は0.7V程度になります。結果LEDのアノードからコンデンサCを通って大きな充電電流がQ2のベースに流れ込みます。この電流はやがてコンデンサCへの充電が終了に近づくにつれて少なくなってゆきます。この充電電流がQ1を「ON」するのに必要なQ1のベース電流以下になるとQ２は「OFF」してLEDが消灯します。その後は抵抗100kΩからコンデンサCに充電が開始されてQ2のベース電圧を少しずつ上昇させます。そしてQ2が「ON」できる電圧（約0.7V)までQ2のベース電圧が上昇すると再びQ2とQ1が「ON]になりLEDに電流を流し、かつコンデンサCを経由してQ1の「ON」状態を一定時間保持します。
　という動作になりますのでコンデンサCはQ１が「ON」になった状態を一定時間維持するためにLEDダイオードのアノードからQ２のベースへCの充電電流を利用して電流を流します。
　コンデンサのプラス側からLEDのカソード（GND）へ接続するとQ１が「ON」した時にその「ON」状態を維持するためにQ２のベースへ電流を流してやる経路がなくなりますのでLEDの点滅動作ができなくなってしまいます。

備考＞＞最初に、「この回路はこのままじゃ実際動作しないんですが、」と述べましたがその理由はQ1のベースと電源３Vの間に抵抗が本来必要なんですが、この回路にはその抵抗がありません。実際は数百Ωの抵抗が必要になります。抵抗が無ければLEDの点滅動作は動きません。

bogen555 · Answer

この回路は、「シリアルオシレータ」の変形ですね。
動作原理はこちらをどうぞ。
http://ednjapan.com/edn/articles/1309/12/news004.html

> 初心者なので難しい事は理解できないかもしれませんのでよろしくお願いいたします。
> ステップアップのための質問です。
筆者はこちらのBBSにいるから、「シリアルオシレータの動作原理」としてどこが理解できないか書けば親切に説明してくれますよ。
https://bbs.ednjapan.com/ADI/index.php?bid=4

トランジスタを使ったLED発振回路の動作についての疑問

回答NO.3に新しい質問が上がりましたので以下に回答いたします。

回答NO.３の質問３）への回答の最後に追加があります。

回答NO.3の続きです。

回答NO.2です。

今日は。

この回路は、「シリアルオシレータ」の変形ですね。

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